基于PCI ExPress实时视频采集系统的设计

视频采集系统在工业领域应用广泛，随着多媒体技术的快速发展，对视频采集、处理和传输性能的要求也不断提高，如高采集速度、低功耗、抗干扰性、实时性及扩展性等。这里提出了以Virtex-5为核心，由ADV7188为视频解码器，PCIExpress为传输总线组成的集视频采集、压缩、传输于一体的多功能视频处理系统。该系统能够实现实时海量传输多路数字视频。Virtex-6支持的PCI Express的×1通道的传输率已达3．2Gb／s。
    由于该系统设计体积小、功耗低且满足工况要求，可应用于公共场合、工厂和井下作业等需多点远距离监控环境较恶劣场所。

1 PCI Express总线简介
    PCI Express是一种主流的串行标准，它是2002年问世的第三代I／O互联技术，为从PCI到PCIX提供了一条升级路径。PCI Express是PC产业的标准互联技术，具有可升级能力，可扩展的功能集，很强的市场适应能力和低成本等特性。其高速串行标准能以每条通道2．5 Gb／s的线速进行双向通信，分层数据包的架构有助于模块化设计。通过更简单的升级就能实现带宽增强(高达80 GB)——1、2、4、8、16和32条通道。PCI Express的先进功能，比如可靠性、电源管理和热插拔，借助虚拟通道、业务等级和服务质量(QoS)等特性支持下一代三维／多媒体业务。

2 系统硬件设计
    该系统设计采用视频解码器+FPGA，其功能是接收PAL等制式模拟视频信号，转换为满足ITU-R BU．656格式的数字信号，将多路视频打包，经PCI Express总线传输到计算机。
    这里采用ADV7188来采集PAL制式的视频信号，Videx-5的I2C总线控制器通过I2C总线来对其进行配置和控制。选用Virtex-5系列中的XC5-VFX30T，此器件具有强大的处理能力和丰富的外部设备接口，能满足各种不同应用环境的控制与图像输出需要。Virtex-5器件具有视频处理IP核，可以按照使用要求配置，同时具有PCI Express、PPC440等IP核，PPC440在667MHz的时钟主频下，数字处理能力可达到1600DMI／s，内部具有256 KB的SRAM。Virtex-5具有2条I2C接口，多达8条(32 bit)具有主控器的外设总线接口，支持外部、内部和内存间的DMA方式，2条
10／100／100 Mb／s半或全双工以太网接口，图1为该系统设计硬件原理框图。

3 主要组成部分的原理实现
3．1 视频采集处理电路
3．1．1 视频解码器选型
    在选择视频解码器时，主要考虑功能、性能、尺寸、性价比及低功耗等方面，故选择了ADV7188型视频解码器件。该器件具有以下特性：
    可以自动检测到NTSC-M／J／4．43,PAL-M／N／B／G／H／I／D和SECAM制式信号的输入；单一时钟28．636 36 MHz；4路模拟视频12位AD采集；5线自适应梳状滤波；
    降低数字噪声；集成有自适应白电平峰值的自动增益控制器；具有锁定较弱的、噪声和不稳定视频源的设计；12路模拟输入通道；输入视频信号幅度，为0．5～1．5 V；在没有输入视频信号情况下可以自行产生行场同步信号；亮度带宽边缘增强是可编程的；色调、对比度、亮度、饱和度可编程；YCbCr以20／16／10／8位4：2：2形式输出；支持工业标准的I2C接口；电源为+3．3 V，1．8 V；下电模式；采用80引脚，无铅的LQFP封装；工作温度为-40～+85℃。
3．1．2 视频采集电路工作原理
    视频采集电路是以为ADV7188为核心，采集多路的PAL、NTSC或SECAM制式模拟视频信号，具有增强较弱的模拟视频信号，可进行降噪处理和提高数字视频信号质量的功能。AD7188的详细电路可参见ADV7188的器件手册。由于ADV7188对电源要求较高，该系统设计对电源进行隔离、去耦、低频滤波等处理。为了广泛应用，这里采用频率为28．636 36 MHz的石英晶体谐振器，频差为±20 ppm。图2为视频平装的晶振电路。

    根据PCB布线，Cstray通常为2～3pF，ADV7188器件管脚到电源地的电容值Cpg为4 pF，石英晶体谐振器的负载电容Cload为15 pF。由C1= C2=2(Cload-Cstray)-Cpg可计算出C1和C2的电容值为24 pF，按照E12系列的优选值，选取电容值为22pF。
    设计中利用ADV7188的下电模式，当此片没有模拟视频输入或不需工作时，将其下电，其功耗将由工作时的0．6 W降到1 mW左右，能极大地减少系统待机功耗。
3．1．3 视频采集电路的配置
    在FPGA内设计I2C总线控制器，配置为和视频解码器I2C接口时钟一致的接口总线。通过FPGA上电配置，达到对FPGA内的FIFO初始化，初始化数据为视频采集电路的配置数据，配置数据见表1。

3．2 FPGA
3．2．1 FPGA器件选型
    FPGA型号的选择主要基于以下方面考虑：具有PCIExpress总线；通道不低于x8；具有嵌入式微处理器；合适的I／O管脚数和资源，支持所需的电平标准；具有较低的功耗；合适的性价比。
    因此，选择Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VFX3-0T，封装为FF665 PCI Express总线；具有PowerPC440嵌入微处理器。配置芯片选用容量为1 GB的CF卡。
3．2．2 FPGA的性能和资源
    1)时钟资源32条全局时钟总线，对整个器件上的所有资源进行时钟控制，且可以驱动逻辑信号；
    2)时钟管理技术 时钟去歪斜、频率合成、相移和动态重配置等功能；
    3)锁相环作为广谱频率的频率合成器，并且与CMT的DCM配合作为外部或内部时钟的抖动滤波器；
    4)BLOCK RAM 2 448 Kb，可配置为RAM、双口RAM和FIFO等，且其内容能够初始化；
    5)可配置逻辑块 实现组合逻辑和时序逻辑的主要资源；
    6)SelectIO资源 可支持种类繁多的标准接口。包括输出强度和斜率的可编程控制以及实现数控阻抗的片上终端；
    7)SelectIO逻辑资源 包括组合输入／输出、三态输出控制、寄存输入／输出、寄存三态输出控制、DDR输入／输出和DDR输出三态控制；
    8)高级SelectIO逻辑资源 输入串并转换和输出并串转换；
    9)DSP逻辑片 64个550 MHz DSP48E slice，每个DP48E包括1个28x18的乘法器、1个加法器和1个累加器。利用Xilinx ISE的FPGA Edit也可观察FPGA的内部结构。
3．3 数据缓存
    由于PCI Express的总线波特率为2．5 Gbps，远大于1路采集后的数字视频信号。当视频数据经并行总线传入FPGA内，通过配置为异步输入输出的FIFO进行数据缓存，提高总线使用效率。如果PCI Express总线为×1通道，PAL制式视频转换为常用的8位4：2：0的YUV格式数字视频，按照PCIExpress总线传输有效数据1．62 Gb／s计算，理论上可以传输36路。
3．4 FCI Express接口实现
    利用具有PCI Express的FPGA来设计，选用Xilinx公司的Virtex-5 LXT系列的FPGA，利用其内的PCI Express IP核进行设计，完成功能如下：用户接口的本地链路成帧接口；64位数据总线宽度与3位提醒总线；包化接口，带用于标记包的帧起始(SOF)和帧结束(EOF)；传输和接收方向用户接口的包中断特性；帧错误检测支持；多通道配置支持：×1、×2、×4和×8；这里通道配置为×1；每通道1．62 Gb／s或更高的吞吐量；利用集成端点模块中的自动协商功能，可以在某些通道不能工作时使设计使用较低的带宽；物理层中使用的8B／10B解码和解码。此方案虽开发难度大、周期长，但具有外电路围简单，硬件成本低，设计灵活、集成度高且易升级等特点。其接口电路如图3所示。

3．5 时钟
    本设计需要4个时钟信号，其中视频解码信号的时钟要求最高，时钟精度必须在±50 ppm以内，其次为PCI Express总线工作的时钟频率。在FPGA内对时钟信号进行了DCM和PLL处理，完成了对时钟信号的去歪斜、相移和频率合成等功能。
3．6 Flash和DDRSDRAM
    为使设计具有灵活性、扩展性和升级性，预留了Flash和SDRAM来存储程序和运行程序，满足智能性和易于以太网远程控制等要求。
3．7 以太网接口电路
    通过FPGA+PHY+变压器组成以太网接口电路，可以用此接口加载程序，也可用此接口和互联网连接。利用XILINX公司的FPGA开发软件ISE，通过FPGA内IP核按照TriMode Ethemet MAC进行。
3．8 DMA传输
    本设计采用DMA方式进行数据内部传输。数字视频信号经并行总线传入FPGA内，通过FIFO进行数据缓存，经DMA方式，通过PCI Express传给计算机。
3．9 FPGA配置方案
    Virtex-5的配置方案采用System ACE(System Advandced Configuration Eviroment)中的System ACE CF(CompactFlash)。System ACE使用CF存储卡保存数据，通过System ACE控制器把数据配置到FPGA中。System ACE CF使用容量为1 GB的CompaetFlash卡，System ACE CF是预制的配置方案，不需编写任何程序，只需简单的调试即可。此方案把旧的、用于调试的版本和新版本都装入到同一块CF卡中，缩短了研发周期，便于维修排故，同时把应用软件、产品附带的说明书等保存到此CF卡中，系统升级可更换CF卡、在系统编程和通过Intemet进行远程升级。
3．10 电源的设计
    板上需要电源有+3．3、+2．5、+1．8和+1．2 V共5种。其中+3．3 V电源为外部输入，约20 W；+1．8 V提供给FPGA和ADV7188的二次电源，其他为提供给FPGA的二次电源。+3．3V电源为电源层，提供给FPGA的+2．5V、+1．8 V和+1．2V为电源层分割。提供给ADV7188的+1．8V电源电流按照0．5A设计，实际典型值为100 mA。去耦电容和对应的元器件同层放置，减少过孔的影响。
3．11 PCB设计
    PCB布线遵循信号完整性的设计要求。PCB共10层，首先设计电源层和地层，其中电源层2层，地平面4层，对称分布。除以太网变压器外其他所有工作电源的地为一个地，保证地平面的完整性。
    由于PCI Express总线为2.5Gb／s，对Virtex-5引脚分配时，使PCI Express的引脚在其内的布线尽可能的短。在PCB的布局时使Virtex-5靠近PCI Express总线接口的电连接器，差分线对的实际长度不大于30 mm。PCB布线时要严格控制差分线对的长度差，为了避免信号往返的延迟不超过其上升时间，导致过冲和振铃发生，PCB布线根据PCI Express信号的特性，定义差分对长度差不超过1 mm，实际布线结果不超过0．2 mm。PCB上的差分阻抗为(100±10)Ω，符合PCIExpress规范单端阻抗为(50±10)Ω的要求。
3．12 操作系统
    本设计中的FPGA具有PPC440核，采用实时多任务操作系统(Vxworks)，根据实际使用要求，从Vxworks系统内核(wind)的任务管理、通信机制、系统配置、系统接口几个方面进行设计，保证系统的安全性和可靠性。本设计已具备成熟的Vxworks操作系统。
3．13 FPGA的调试
    FPGA的开发包括过程管理与设计输入、仿真、综合、约束、实现、布局布线与配置调试，其中FPGA的调试占用设计周期的80％左右。ISE附带的高级组件，包括在线调试(ChipScope Pro)、平面布局规划器(PlanAhead)、时序分析器(Timing Analyzer)、布局规划器(FloorAhead)、底层编辑器(FPGA Editor)、和功耗分析器(Xpower)，以及第三方软件ModelSim，有效地使用相应工具，加速了设计进程，避免重新设计，有效提高设计生产力，并显著提高设计性能，降低功耗后将降低系统的整体成本。
4 采集、传输和验证
    视频信号发生器产生的一种模拟视频信号如图4所示。通过模拟视频信号的采集、总线传输过程，计算机显示器显示的数字视频如图5所示，和监视器显示的模拟视频图像相同，肉眼无法区分其差别，满足使用要求。采集模拟视频的多种标准检测画面，显示正常无畸变，证实本设计的视频采集和数据传输达到了期望的结果。

5 结束语
    随着多媒体在工业和商业等方面的广泛使用，对视频信号的采集、数据传输速度、集成度和可靠性等方面提出了更高的要求。本文设计的基于PCI Express的视频采集系统，适用于采集较弱或受干扰的视频信号，集成度高，适合海量视频数据传输，解决了传输的瓶颈问题。